O que podemos deduzir pelo fato de que os espelhos não podem ser mais quentes do que a superfície do sol?

Podemos deduzir que as leis da termodinâmica reinam supremas, mesmo no que diz respeito à transferência de calor por radiação. A segunda lei da termodinâmica seria falsa se fosse possível usar lentes e / ou espelhos para fazer algum objeto ficar mais quente do que a fonte da radiação térmica.

As razões ópticas são bastante simples. Espelhos e lentes não focam a luz do sol em um ponto. Em vez disso, eles focalizam idealmente a luz do sol em uma imagem do sol. (Escrevi "idealmente" porque nenhum espelho ou lente real pode atingir o foco perfeito.)

Existe uma maneira de usar a luz do sol para aumentar a temperatura de um objeto algumas centenas de kelvins mais quente do que a temperatura efetiva do Sol de 5778 kelvins, e isso é usar muitos espelhos, cada um focalizando o meio do Sol no objeto em questão, mas tornando as imagens focalizadas do Sol de cada espelho algumas vezes maiores do que o objeto.

A temperatura efetiva da luz proveniente do meio do Sol é consideravelmente mais quente do que a proveniente dos membros do Sol devido ao escurecimento dos membros. A luz que vemos vindo do meio é uma mistura de luz da "superfície" do Sol e de um pouco abaixo da superfície (onde as coisas são um pouco mais quentes), enquanto a luz que vemos dos membros é apenas aquela luz de superfície ligeiramente mais fria. Isso significa que pode-se usar espelhos e / ou lentes para aquecer um objeto até a temperatura efetiva no meio do Sol.

No entanto, eu diria que isso ainda se enquadra na categoria de não ser capaz de aquecer um objeto usando espelhos e / ou lentes a uma temperatura maior do que a do próprio Sol.

Os feixes de prótons em colisão em LHC, página 29:

Nas colisões, a temperatura vai exceder 100.000 vezes a do centro do Sol.

As correntes elétricas que operam o LHC podem ser facilmente fornecidas por uma grande série de painéis solares.

Agora, para passar à parte da pergunta sobre lentes:

Uma série de lentes concentradas no mesmo local pode resultar em uma temperatura mais alta do que a do sol sem violar a conservação de energia. A razão é porque o sol é um corpo estendido, os raios que entram em cada lente vêm de uma área diferente, embora adjacente, do sol e não há limite para o número de lentes que podem ser adicionadas, exceto geométricas.

Pegue este forno solar:

Um forno solar é uma estrutura que usa energia solar concentrada para produzir altas temperaturas, geralmente para a indústria. Os espelhos parabólicos ou heliostatos concentram a luz (insolação) em um ponto focal. A temperatura no ponto focal pode chegar a 3.500 ° C

Não existe uma regra de conservação que proíba o uso de mais de uma fornalha para cair no mesmo ponto focal, mas existe um argumento de entropia que considero convincente dado por @BebopButUnsteady

No entanto, para garantir que a entropia aumente, devemos realizar adicionalmente um processo irreversível. Caso contrário, estaremos simplesmente retirando o calor de um corpo frio e transferindo-o para um corpo quente. A óptica é um processo reversível e, portanto, você não pode usá-la sozinha para fazer uma bomba de calor.

A reversibilidade se manifesta no fato de que todo caminho óptico do Sol ao objeto pode ser percorrido para trás. Recha, também, que a probabilidade de absorver e a probabilidade de emitir devem estar relacionadas pela termodinâmica. Portanto, quando o objeto atinge a mesma temperatura do Sol, seu objeto deve emitir tanta radiação no Sol quanto o Sol emite no objeto. Portanto, sua temperatura não pode aumentar além da temperatura do Sol.

negrito meu.

Noteque o Sol não é um blackbody perfeito. Portanto, pode-se ser capaz de aquecer um forno ligeiramente além do da "temperatura de superfície do sol" usual. Embora tudo isso seja praticamente indistinguível, a quantidade correta a ser usada é a entropia da radiação.

Edite após os comentários.

É a entropia que é o problema em se atingir temperaturas superiores às do sol, que é gerada abundantemente no LHC. Com dois fornos de calor concentrados em pequenos volumes diferentes dentro de um volume maior, os caminhos são aleatórios / desordenados e a entropia precisa aumentar, e temperaturas mais altas chegam termodinamicamente.

Acho que é bastante contra-intuitivo que algumas lentes ou espelhos focalizando a luz do sol em um único ponto não possam produzir uma temperatura mais alta do que a Superfície do Sol.

É realmente contra-intuitivo porque não é possível focar a luz do sol em um único ponto.

Para simplificar, consideremos o sol como um corpo negro perfeito. Então, se soubermos sua temperatura de superfície (5772K de acordo com a wikipedia), podemos calcular seu fluxo de calor (63000kW / m2) de acordo com a equação stefan boltzmann. Se soubermos sua produção de energia térmica, podemos derivar seu diâmetro (que é um pouco mais do que zero).

O sol não é visto no céu como um único ponto. Da Terra, parece ter um diâmetro de cerca de 0,5 grau (isto é, se você apontar um telescópio para um lado do Sol, terá que girá-lo 0,5 grau para apontar para o outro lado). Este diâmetro angular de 0,5 graus (ou cerca de 1/100 de um radiano) é uma função da distância da Terra ao sol e do diâmetro do sol, que está relacionado ao seu fluxo de calor, conforme descrito acima.

Imagine que tenho um refletor parabólico na Terra que é perfeitamente fabricado. Com isso posso concentrar os raios do sol cerca de 10.000 vezes (não mais, por causa do diâmetro angular de 0,5 graus do sol). Não vou dar uma prova geométrica aqui, mas se você usar um programa de rastreamento de raios, descobrirá que um vale parabólico pode concentrar uma fonte de luz de 0,5 grau de diâmetro angular cerca de 100 vezes, e um prato parabólico será o quadrado disso.

O fluxo radiante normal na Terra é de cerca de 1kW / m2, então posso obter fluxo de calor de cerca de 10.000kW / m2 e uma temperatura de cerca de 3644K.

Como você pode ver, isso é comparável, mas ligeiramente mais baixo do que a temperatura do sol.

Para obter temperaturas mais altas de nosso concentrador solar, precisaríamos que o sol mantivesse sua produção, mas fosse menor para nos dar um foco melhor, mas então é claro que o sol teria um fluxo de calor de superfície e temperatura de superfície maiores!

O que um cientista poderia deduzir desse comportamento peculiar?Qualquer propriedade quântica no exemplo?Ou algo sobre óptica ?.

Conforme explicado acima, o comportamento não é peculiar.O que pode ser deduzido sobre a óptica é que um sistema óptico não pode produzir um foco pontual infinitesimalmente pequeno a partir de uma fonte de luz esférica de corpo negro de diâmetro finito.Esta conclusão também pode ser derivada geometricamente.

Se fosse possível para uma fonte de temperatura elevar a temperatura de outro corpo acima de sua própria temperatura em um sistema fechado, haveria consequências interessantes para a validade das leis zero e da 2ª da termodinâmica.

https://en.wikipedia.org/wiki/Laws_of_thermodynamics

Pelo fato de que a "imagem" formada por um espelho (do sol) não pode ser mais quente que a temperatura do sol, podemos deduzir com segurança que a lei da conservação da energia é válida neste processo.Também implica que a segunda lei da termodinâmica não é violada neste processo.

Apenas por diversão, se assumirmos que a imagem formada pelo sol tem uma temperatura mais alta do que o próprio sol, então isso irá contradizer nossa suposição original de que a imagem e o objeto, ou seja, o sol terá que ser a imagemda chamada imagem formada pelo espelho, o que não faz sentido.

Para expandir um pouco a resposta de Chetan Pandey acima, a imagem do sol de uma lente ou espelho (perfeito) é sempre da mesma cor da fonte original.Como a cor é uma função da temperatura, você obtém a mesma temperatura, mas não obtém uma imagem deslocada para o azul.

O fato de não podermos usar qualquer número de lentes para obter um ponto mais quente do que a superfície da fonte de calor distante parece totalmente não intuitivo, mas é verdade.

XKCD explica isso muito melhor do que eu jamais poderia: https://what-if.xkcd.com/145/ - esta é uma ótima explicação da segunda lei da termodinâmica, conservação deétendue, e que o melhor que qualquer conjunto de lentes pode fazer é fazer com que cada linha de visão termine na superfície do sol.

Que é exatamente o que você obtém quando está embutido na superfície do sol, de qualquer maneira.

O que podemos deduzir disso é que nunca iremos colocar fogo em nada com a luz da lua;que nunca podemos pegar "vários fornos solares" e adicioná-los para somar suas temperaturas;e que não podemos criar uma bomba de calor infinita tornando um ponto próximo a uma bobina de aquecimento mais quente do que a própria bobina com lentes.

Pense nisso como um circuito térmico.

Em uma extremidade, você tem o sol irradiando fótons infravermelhos através de sua lente (ou conjunto de espelhos) para o objeto alvo. Você também tem o objeto alvo irradiando fótons de volta através da mesma ótica de volta ao sol.

Conforme a radiação do Sol começa a aquecer seu objeto-alvo, ela irradia fótons de volta para o sol com mais intensidade.

Por enquanto, se assumirmos que seu objeto alvo está suspenso no vácuo, o que impediria outros mecanismos de transferência de calor:

O sol continuaria aquecendo o objeto alvo até o ponto em que a energia irradiada do alvo fosse a mesma que a energia recebida do sol, ponto no qual o alvo não ficará mais quente.

Ter mais espelhos ou lentes maiores significa apenas mais rotas para os fótons viajarem, e assim o ponto de equilíbrio é alcançado mais rapidamente.

Uma superfície reflexiva branca no alvo emitirá menos fótons, mas também absorverá menos os enviados do sol. Uma superfície preta mate absorverá mais fótons do sol, mas também emitirá mais fótons para a mesma temperatura. Ter uma superfície preta fosca ajuda a atingir o ponto de equilíbrio mais rapidamente, mas não aumenta a temperatura de equilíbrio.

O limite de quão quente o objeto alvo pode ficar é a temperatura em que ele emite fótons na mesma taxa que os absorve do sol ...

Então, supondo que a afirmação original seja verdadeira, a conclusão é que, para uma dada temperatura, o sol é um emissor de fótons tão bom ou mais eficiente do que qualquer material na Terra.